KR100802801B1 - 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법 - Google Patents

연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100802801B1
KR100802801B1 KR1020060049600A KR20060049600A KR100802801B1 KR 100802801 B1 KR100802801 B1 KR 100802801B1 KR 1020060049600 A KR1020060049600 A KR 1020060049600A KR 20060049600 A KR20060049600 A KR 20060049600A KR 100802801 B1 KR100802801 B1 KR 100802801B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
steam
fuel cell
power generation
reformer
recovering
Prior art date
Application number
KR1020060049600A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20070115338A (ko
Inventor
안성수
김익생
전다혜
Original Assignee
엘에스전선 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘에스전선 주식회사 filed Critical 엘에스전선 주식회사
Priority to KR1020060049600A priority Critical patent/KR100802801B1/ko
Publication of KR20070115338A publication Critical patent/KR20070115338A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100802801B1 publication Critical patent/KR100802801B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
    • H01M2250/405—Cogeneration of heat or hot water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

본 발명은 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 발전시스템에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 회수할 수 있는 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열을 병합하여 사용하는 시스템에 있어서, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기발생수단; 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전수단; 상기 발전수단으로부터 배출되는 증기를 회수하여 저압 팽창시키는 응축기; 및 상기 응축기로부터 공급되는 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 상기 증기발생수단으로 회송하는 가압수단;을 포함한다.
연료전지, 열병합, 폐열, 회수

Description

연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법{Cogeneration system for a feul cell and Method thereof}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증기발생수단의 대략적인 구성도이다.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
1...개질기 3...연료전지 스택
5...전력전송수단 10...증기발생수단
17...가열수단 21...터빈
22...발전기 30...응축기
40...난방/급탕 장치 50...가압수단
본 발명은 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 발전시스템에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 회수하여 재사용할 수 있는 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 관한 것이다.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등 탄화 수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다.
연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 상기 연료를 이송하는 연료펌프, 수소기체를 발생시키는 개질기, 및 전자를 발생시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(이하, 스택으로 지칭함)을 구비한다.
개질기는 연료펌프의 동작을 통해 연료 탱크에 저장된 연료 및 물을 공급받고, 상기 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced reaction Process)등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고, 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 스택으 로 공급한다.
한편, 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화 반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 소정의 물과 전자들이 발생하고, 상기 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열 에너지가 발생되는데, 이러한 열 에너지는 화학반응으로 생성된 물에 인가된다.
상기와 같이 구성된 연료전지를 이용한 발전 시스템에는 상기 개질기 및 연료전지 스택에서 화학반응으로 인하여 높은 열에너지가 발생되는데, 이러한 열에너지는 대부분 외부로 방출될 경우, 연료의 전환효율(연료가 전기에너지로 전환되는 효율)이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 연료전지를 이용한 발전 시스템은 배열 또는 폐열을 회수하기 위한 다수의 열교환 장치를 구비한다.
그러나, 연료전지를 이용한 발전 시스템에 다수의 열교환 장치가 구비될 경우, 시스템이 복잡해지고, 배관의 길이가 늘어나 관내손실(예컨대, 압력강하)이 발생한다.
또한, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 폐열을 이용하기 위하여 고안된 시스템은 작동 유체 자체를 직접적으로 회수하여 사용하지 않고, 작동 유체의 잠열만을 열 교환수단을 통해 회수함으로써, 효율이 높지 않은 문제도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 폐열로부터 열 에너지를 단순화된 경로를 통해 회수할 수 있는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 연료전지를 이용한 발전 시스템에서 발생되는 유체를 그대로 이용하여 시스템에서 발생되는 열 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열을 병합하여 사용하는 시스템에 있어서, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기발생수단; 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전수단; 상기 발전수단으로부터 배출되는 증기를 회수하여 저압 팽창시키는 응축기; 및 상기 응축기로부터 공급되는 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 상기 증기발생수단으로 회송하는 가압수단;을 포함한다.
상기 증기생성수단에 열 에너지를 공급하는 가열수단을 더 포함할 수 있다.
상기 증기발생수단은 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성 되고, 상기 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 발전수단은 상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 에너지 변환수단; 및 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기;를 구비할 수 있다.
바람직하게, 상기 응축기는 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급할 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 응축기에 사용되는 상기 열교환매체는 응축수일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 열병합 발전 방법은 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열을 이용하는 방법에 있어서, 개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하는 증기생성단계; 상기 증기생성단계를 통해 생성된 상기 증기를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전단계; 상기 발전단계에서 배출되는 증기를 회수하여 응축시키는 응축단계; 및 상기 응축단계를 통해 응축된 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 이용하여 다시 증기를 생성하기 위하여 회송시키는 단계;을 포함한다.
상기 증기생성단계는 외부 열원으로부터 열 에너지를 더 공급받을 수 있다.
또한, 상기 증기생성단계는 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성된 유입구를 통해 회수하고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성된 유입구를 통해 회수하는 것이 바람직하다.
상기 발전단계는 상기 증기생성단계로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 단계; 및 상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 단계;를 포함한다.
상기 응축단계에서 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 발전시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 증기발생수단의 대략적인 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 발전 시스템은 개질기(1), 연료전지 스택(3), 전력전송수단(5), 증기발생수단(10), 발전수단(21,22), 응축기(30), 및 가압기(50)를 포함한다.
개질기(1)는 외부로부터 공급되는 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물을 산화촉매반응과 개질촉매반응 등을 통해 수소가스를 축출하며, 상기 발생된 수소가스를 연료전지 스택(3)으로 공급한다. 이때, 개질기(1)에는 미량의 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소 등의 개질가스와 촉매반응으로 인한 고온의 열이 발생한다.
개질기(1)에서 발생되는 상기 일산화탄소는 연료전지 스택(3)으로 유입되어 촉매 반응에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 개질기(1)는 일산화탄소 제거기 등을 구비하여 상기 일산화탄소를 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 개질기(1)는 상기 개질가스를 회수하고, 가스 이동관 등을 통해 증기발생수단(10)으로 공급한다.
한편, 개질기(1) 내에서 촉매반응으로 인해 발생된 열은 열교환수단(미 도시), 예컨대 냉각장치 등을 통해서 증기발생수단(10)으로 회수된다. 상기 냉각장치는 냉각수가 순환될 수 있는 경로를 구비하며, 상기 경로를 통해 배출되는 냉각수가 증기발생수단(10)으로 공급됨으로써, 촉매반응으로 인한 열을 회수할 수 있다.
연료전지 스택(3)은 개질기(1)로부터 공급받은 수소가스와 외부로부터 공급되는 공기를 이용하여, 하기 반응식 1에 따른 반응에 따라 전기, 열, 및 물을 생성한다.
애노드 반응: H2 -> 2H+ + 2e-
캐소드 반응:
Figure 112006039020600-pat00001
O2 + 2H+ + 2e- -> H2O
전체반응: H2 +
Figure 112006039020600-pat00002
O2 -> H2O + 전류 + 잔열
반응식 1을 참고하면, 애노드 전극으로 수소가스가 공급되고, 캐소드 전극으로 공기가 공급된다. 애노드 전극으로 유입된 상기 수소가스는 촉매층에서 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 변환된다. 그리고, 애노드 전극에서도 역시 촉매로 인해 캐소드 전극에서 전자(e-)와 산소이온(O2)으로 변환된다. 이때, 수소이온(H+)이 전해질 막을 통하여 애노드 전극으로 이동되면 산소이온(O2)과 반응하여 물(H2O)로 변환된다. 애노드 전극에서 생성된 전자(e-)는 전해질 막을 통해 이동되지 못하고, 외부회로를 통해 캐소드 전극으로 이동함으로써, 소정의 전류를 형성하게 된다.
이때, 화학반응으로 인해 생성된 물에는 소정의 열 에너지가 인가되어 있으며, 상기 물은 증기발생수단(10)으로 공급된다.
전력전송수단(5)은 연료전지 스택(3)에서 발생된 직류전력 또는 발전수단(21,22)에서 발생된 교류전력을 전력 수용단으로 전송하는 수단이다.
바람직하게, 전력전송수단(5)은 전력 수용단의 사용전력이나 전력전송효율 등을 고려하여 직류전력 또는 교류전력으로 전송할 수 있다. 이에 따라, 전력전송 수단(5)은 연료전지 스택(3) 및 발전수단(21,22)에서 발생된 전력의 상태를 변환(직류전력->교류전력 또는 교류전력->직류전력)하는 장치를 더 포함할 수도 있다.
증기발생수단(10)은 제1유입구(11), 제2유입구(12), 제3유입구(13), 제4유입구(14), 및 출구(15)를 구비한다.
제1유입구(11)에는 개질기(1)에서 배출되는 상기 개질가스가 회송되고, 제2유입구(12)에는 열교환수단(예컨대, 냉각장치)으로부터 배출되는 상기 열교환매체(예컨대, 냉각수)가 회송되고, 제3유입구(13)에는 가압수단(50)으로부터 회송되는 상기 작동 유체가 유입된다. 그리고, 제4유입구(14)에는 연료전지 스택(3)으로부터 공급받는 상기 물이 유입된다.
바람직하게, 상기 제1유입구(11) 및 제2유입구(12)는 증기발생수단(10)의 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 상부 측에 위치하고, 제4유입구(14)는 증기발생수단(10)의 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 하부 측에 위치하도록 설계한다.
또한, 출구(15)는 증기발생수단(10)의 내부에서 발생하는 증기를 배출하기 위하여 내부에 유입되는 유체(냉각수 및 물)의 양을 감안하여 유체의 표면보다 상대적으로 상부 측에 위치하도록 설계한다.
바람직하게, 증기발생수단(10)의 내부에 수용되는 액체로 열 에너지를 공급하는 가열수단(17)을 더 포함할 수 있다. 가열수단(17)은 증기발생수단(10)으로 회수되는 유체의 열량이 적을 경우, 상기 유체에 열 에너지를 공급하여 액체상태의 용액을 기화시킨다.
발전수단(21,22)은 터빈(21) 및 발전기(22)를 구비한다. 터빈(21)은 증기발생수단(10)으로부터 공급된 상기 증기가 배출구로 이동하는 유로 상에 위치하는 복수의 회전날개를 구비한다. 증기발생수단(10)으로부터 연속적으로 공급되는 증기에 의하여 복수의 상기 회전날개는 회전축을 중심으로 연속적으로 회전되고, 상기 회전축에 인가되는 회전력을 발전기로 전달한다.
발전기(22)는 터빈(21)으로부터 전달받은 회전력을 이용하여 소정의 전기 에너지(예컨대, 직류전력 또는 교류전력)를 발생시켜 전력전송수단(5)으로 전송한다.
응축기(30)는 터빈(21)으로부터 배출되는 증기의 응축 잠열만큼의 열량을 상기 증기로부터 빼앗아 액화시켜 작동 유체(L1)를 생성한다.
바람직하게, 응축기(30)는 응축수(L2)를 이용하여 상기 증기를 액화시킨다. 이 과정에서, 상기 증기의 열에너지가 응축수(L2)로 이동되어 상기 응축수(L2)는 가열된다.
나아가, 상기 증기의 열에너지를 받은 응축수(L2)는 소정의 온도로 가열된 상태로 난방/급탕 장치(40)에 공급되어 난방 또는 급탕용수로 사용될 수 있다.
가압수단(50)은 응축기(30)로부터 공급받은 상기 작동 유체(L1)에 소정의 압력을 인가하여 상기 작동 유체(L1)의 부피를 저감시키고, 이(부피가 저감된 상기 작동 유체)를 증기발생수단(10)으로 회송한다.
전력전송수단(5)은 연료전지 스택(3) 및 발전기(22)로부터 인가받는 전기 에너지를 전력 수용단, 예컨대 변전소, 또는 전력 수배전반 등으로 전송한다.
이하, 전술한 구성요소를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템의 동작을 설명한다. 또한, 이로써 본 발명의 실시예에 따른 열병합 발전 방법을 설명한다.
우선, 개질기(1)가 외부로부터 연료(메탄올, 에탄올, LPG, 또는 천연가스 등)와 물을 공급받아 산화촉매반응과 개질촉매반응 등을 통해 수소가스(H2)를 축출한다.
다음으로, 상기 수소가스(H2)는 연료전지 스택(3)의 애노드 전극으로 공급되고, 캐소드 전극에는 외부로부터 공기를 공급받는다. 공급받은 수소가스와 공기는 상기 화학식 1에서 설명한 바와 같이, 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 반응하여 전류, 물, 및 잔열로 전환된다. 이때, 연료전지 스택(3)에서 발생된 전류는 전력전송수단(5)으로 전송되고, 잔열을 포함하는 물은 증기발생수단(10)으로 회수된다.
한편, 개질기(1)에서 수소를 축출하는 과정에서 발생하는 이산화탄소, 메탄가스, 및 일산화탄소 등의 개질 가스는 증기발생수단(10)으로 회수된다. 또한, 수소를 축출하는 과정에서, 산화촉매반응과 개질촉매반응으로 인해 고온의 열이 발생하는데, 이(고온의 열)는 열교환수단(예컨대, 냉각수를 이용한 냉각장치)을 통해 고온의 열이 냉각수에 전달되고, 고온의 열이 인가된 상기 냉각수는 증기발생수단(10)으로 회수된다.
개질기(1)에서 배출되는 상기 개질 가스 및 냉각수의 온도는 연료전지 스택(3)에서 생성되는 물의 온도보다 상대적으로 고온이며, 개질기(1)에서 회수되는 상기 개질 가스 및 냉각수는 연료전지 스택(3)에서 회수되는 물보다 상대적으로 높은 곳으로 유입된다. 따라서, 증기발생수단(10)은 내부로 유입되는 유체의 원활한 대류효과를 유도하고, 열 손실을 최소화하여 증기를 배출한다.
배출된 증기는 터빈(21)에 연속적으로 공급되고, 터빈(21)에 구비되는 회전 날개를 회전시킨다. 회전 날개가 회전함으로써, 회전축을 중심으로 발생되는 회전력이 발전기(22)로 전달된다. 발전기는 상기 회전력을 이용하여 소정의 전기에너지를 발생시켜 전력전송수단(5)으로 전송한다.
한편, 터빈(21)을 통과한 후 배출되는 증기는 응축기(30)로 회수된다. 응축기(30)는 상기 증기의 응축 잠열만큼의 열량을 빼앗아 액화시키고, 액화된 작동 유체(L1)를 생성한다. 이때, 상기 증기의 잠열에 대응하는 열에너지는 열교환매체, 예컨대 냉각수(L2)로 전달된다. 열에너지를 전달받은 상기 냉각수(L2)는 소정 온도의 유체로서 난방/급탕장치(40)로 이동되어 난방용수 또는 급탕용수로서 사용된다. 그리고, 응축기(30)는 증기발생수단(10)으로 유입되는 가스와 유체의 양에 대응하는 만큼의 상기 작동 유체(L1)를 난방/급탕장치(40)로 공급하고, 난방/급탕장치(40)는 상기 작동 유체(L1)를 난방용수 또는 급탕용수로 사용한다.
다음으로, 응축기(30)에서 난방/급탕장치(40)로 공급되고 남은 잔류 유체(L1)는 가압수단(50)을 통해 가압된 상태로 증기발생수단(10)에 회송된다.
전술한 시스템을 통해 개질기(1) 및 연료전지 스택(3)에서 발생되는 증기 및 유체를 단일의 증기발생수단(10)으로 집합하여 사용함으로써, 유체 경로를 단순화하고, 회수되는 유체의 열 손실을 최소화할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 발명의 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전 방법에 따르면, 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 유체의 물리적 특성(온도, 상태, 유량)에 상관없이 단일의 공간에 일괄적으로 수집하여 증기 생성의 예열 공급원으로 사용할 수 있다.
둘째, 각 장치에서 유출되는 유체의 경로를 단축시켜 시스템 내에서의 유량손실을 최소화할 수 있다.
셋째, 회수되는 유체를 그대로 작동 유체로 사용함으로써, 특별한 열 교환장치 없이 유체의 폐열 및 배열을 가장 효율적으로 활용할 수 있다.

Claims (11)

  1. 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열 에너지를 병합하여 사용하는 시스템에 있어서,
    개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하되, 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구를 구비하며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성되고, 상기 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하는 유입구는 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성된 증기발생수단;
    상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전수단;
    상기 발전수단으로부터 배출되는 증기를 회수하여 저압 팽창시키는 응축기; 및
    상기 응축기로부터 공급되는 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 상기 증기발생수단으로 회송하는 가압수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 증기생성수단에 열 에너지를 공급하는 가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 발전수단은
    상기 증기발생수단으로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 에너지 변환수단; 및
    상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 응축기는
    응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 응축기에 사용되는 상기 열교환매체는 응축수인 것을 특징으로 하는 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템.
  7. 연료전지 발전 시스템에서 발생되는 열 에너지를 이용하는 방법에 있어서,
    개질기 및 연료전지 스택로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 회수하고, 상기 반응물질 및 폐열을 이용하여 증기를 생성하되, 상기 개질기 및 스택으로부터 유입되는 유체 또는 가스를 회수하는 복수의 유입구가 구비되며, 상기 개질기로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 상부에 형성된 유입구를 통해 회수하고, 상기 연료전지 스택으로부터 배출되는 반응물질과 폐열을 내부에 회수된 유체의 표면보다 상대적으로 하부에 형성된 유입구를 통해 회수하는 증기생성단계;
    상기 증기생성단계를 통해 생성된 상기 증기를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전단계;
    상기 발전단계에서 배출되는 증기를 회수하여 응축시키는 응축단계; 및
    상기 응축단계를 통해 응축된 작동 유체에 압력을 인가하고, 이를 이용하여 다시 증기를 생성하기 위하여 회송시키는 단계;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 증기생성단계는 외부 열원으로부터 열 에너지를 더 공급받는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서, 상기 발전단계는
    상기 증기생성단계로부터 생성된 증기를 역학적 에너지로 변환하는 단계; 및
    상기 역학적 에너지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 응축단계에서 응축된 작동 유체와 상기 작동 유체의 응축시 사용된 열교환매체를 난방/급탕 장치에 공급하는 것을 특징으로 하는 열병합 발전 방법.
KR1020060049600A 2006-06-01 2006-06-01 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법 KR100802801B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060049600A KR100802801B1 (ko) 2006-06-01 2006-06-01 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060049600A KR100802801B1 (ko) 2006-06-01 2006-06-01 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070115338A KR20070115338A (ko) 2007-12-06
KR100802801B1 true KR100802801B1 (ko) 2008-02-12

Family

ID=39141814

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060049600A KR100802801B1 (ko) 2006-06-01 2006-06-01 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100802801B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101511100B1 (ko) 2015-01-27 2015-04-10 (주)지케이홀딩스 연료전지시스템에서 발생한 고온배출가스를 이용한 발전시스템 및 발전방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102525549B1 (ko) * 2020-11-03 2023-04-26 한국화학연구원 Nh3-co2 화합물 기반 무탄소 복합발전 및 연계 그린스마트 팜 시스템
KR102555778B1 (ko) 2022-10-18 2023-07-17 고등기술연구원연구조합 바이오매스 및 폐기물의 열화학적 전환을 통한 효율적인 연료전지 연료공급 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08255622A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
KR970705195A (ko) * 1994-08-08 1997-09-06 원본미기재 가스 또는 스팀 터빈 파워시스템(ultra-high efficiency turbine and fuel cell combination)
JP2001012211A (ja) 1999-05-28 2001-01-16 Abb Patent Gmbh 蒸気発電所を稼動する方法、並びに、この方法を実行するための蒸気発電所

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970705195A (ko) * 1994-08-08 1997-09-06 원본미기재 가스 또는 스팀 터빈 파워시스템(ultra-high efficiency turbine and fuel cell combination)
JPH08255622A (ja) * 1995-03-17 1996-10-01 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
JP2001012211A (ja) 1999-05-28 2001-01-16 Abb Patent Gmbh 蒸気発電所を稼動する方法、並びに、この方法を実行するための蒸気発電所

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101511100B1 (ko) 2015-01-27 2015-04-10 (주)지케이홀딩스 연료전지시스템에서 발생한 고온배출가스를 이용한 발전시스템 및 발전방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070115338A (ko) 2007-12-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2006309982A (ja) 固体酸化物形燃料電池システム
CN102598383A (zh) 控制阳极再循环的方法和设备
KR101128829B1 (ko) 연료전지 배열회수형 발전시스템 및 발전방법
KR100802800B1 (ko) 연료전지 발전시스템 및 방법
JP4199266B2 (ja) ブタン燃料電池システム
KR20170026753A (ko) 선박
KR100802801B1 (ko) 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템 및 열병합 발전방법
US20180191006A1 (en) Solid oxide fuel cell system with improved thermal efficiency, and solid oxide fuel cell system heated by high-temperature gas
JP2012243413A (ja) 燃料電池モジュール及び燃料電池システム
JP3407747B2 (ja) 水分分離器を備えた燃料電池発電装置
KR100819602B1 (ko) 연료전지 발전시스템 및 방법
KR101817432B1 (ko) 연료전지 시스템
JP2005063697A (ja) 燃料電池発電装置
KR102243330B1 (ko) 4중 결합 하이브리드 발전시스템
KR101612015B1 (ko) 연료전지 배열회수 orc 발전시스템
KR101447335B1 (ko) 배열을 활용한 스팀터빈 연계 고효율 연료전지 하이브리드 시스템
JP3789706B2 (ja) Ｃｏ変成ユニットおよび固体高分子型燃料電池発電システム
JP2002053305A (ja) 燃料電池用灯油燃料気化方法
KR101696550B1 (ko) 선박
JP3997476B2 (ja) 燃料電池発電装置
KR101368667B1 (ko) 선박용 연료전지시스템
JP5369327B2 (ja) 燃料改質装置およびその前処理方法並びに燃料電池発電システムおよびその運転前処理方法
JP2003288933A (ja) 燃料電池発電装置
JPS63121266A (ja) 燃料電池
KR101704913B1 (ko) 선박

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Publication of correction
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121011

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140203

Year of fee payment: 7

LAPS Lapse due to unpaid annual fee